(57)【要約】【課題】頻繁に除霜運転が行われることで、給湯の沸き上げが出来なくなることを防止したヒートポンプ式給湯装置を提供する。【解決手段】圧縮機１３、冷媒−水熱交換器１４、蒸発器を構成する空気熱交換器１７と送風ファン１６とでヒートポンプ回路１８を形成し、冷媒−水熱交換器１４に給水を供給する流入管１２と、該冷媒−水熱交換器で加熱された給水を給湯水として直接給湯する流出管１１とで構成したもので、前記流入管１２と流出管１１との間には、前記空気熱交換器１７の送風ファン１６による送風の風上側に備えたバイパス回路２１を接続したことにより、ヒートポンプ回路１８を利用した給湯装置に於いても、二次側の給湯の一部を空気熱交換器１７の除霜用に使用することで、給湯を停止することなく該給湯をしながら除霜をすることが出来、効率を低下させることなく除霜が確実に行え、安心して使用出来るものである。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機、冷媒−水熱交換器、蒸発器を構成する空気熱交換器と送風ファンとでヒートポンプ回路を形成し、冷媒−水熱交換器に給水を供給する流入管と、該冷媒−水熱交換器で加熱された給水を給湯水として直接給湯する流出管とで構成したものに於いて、前記流入管と流出管との間には、前記空気熱交換器の送風ファンによる送風の風上側に備えたバイパス回路を接続した事を特徴とするヒートポンプ式給湯装置。
【請求項２】
湯水を貯湯する貯湯タンクと、圧縮機、前記貯湯タンクと連通され水を加熱する冷媒−水熱交換器、蒸発器を構成する空気熱交換器を接続したヒートポンプ回路と、前記貯湯タンク内の湯水を該貯湯タンク底部に接続した流入管及び貯湯タンク上部に接続した流出管から成るヒーポン循環回路と、前記ヒーポン循環回路にはヒーポン循環ポンプが備えられ、更に前記貯湯タンク底部に接続された給水管と、貯湯タンク上部に接続された出湯管とを備えたものに於いて、前記ヒーポン循環回路から分岐したバイパス回路を、前記空気熱交換器の送風ファンによる送風の風上側に備えた事を特徴とするヒートポンプ式給湯装置。
【請求項３】
前記バイパス回路は、流出管に三方弁を介して一端を接続し、他端を流出管のヒーポン循環ポンプ吸引側に接続することで、空気熱交換器の除霜を行うようにした事を特徴とする請求項２記載のヒートポンプ式給湯装置。
【請求項４】
前記バイパス回路は、流出管に貯湯タンク側への流量とバイパス回路側への流量を可変可能とした流量制御弁を介して一端を接続し、他端を流出管のヒーポン循環ポンプ吸引側に接続することで、空気熱交換器の除霜を行うようにした事を特徴とする請求項２記載のヒートポンプ式給湯装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ヒートポンプを利用した瞬間式あるいは貯湯式の給湯装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来よりこの種のものでは、冬期等で外気温度が低下すると、空気熱交換器の結露水が凍結するので、凍結危険状態では圧縮機の吐出側四方弁を切替て、空気熱交換器に加熱冷媒を流すと共に、冷媒−水熱交換器へも継続して加熱冷媒を流して給湯が継続されるようにするものであった。（例えば、特許文献１参照。）
【特許文献１】特許３２８９３７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところでこの従来のものでは、熱源側であるヒートポンプ回路の経路を切替て行うので、加熱能力が大幅に低下し、特に冬期では頻繁に除霜運転が行われて、お湯が沸き上がらずに給湯そのものが出来なくなると言う不具合を有するものであった。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
この発明はこの点に着目し上記問題点を解決する為、特に請求項１では、圧縮機、冷媒−水熱交換器、蒸発器を構成する空気熱交換器と送風ファンとでヒートポンプ回路を形成し、冷媒−水熱交換器に給水を供給する流入管と、該冷媒−水熱交換器で加熱された給水を給湯水として直接給湯する流出管とで構成したものに於いて、前記流入管と流出管との間には、前記空気熱交換器の送風ファンによる送風の風上側に備えたバイパス回路を接続したものである。
【０００５】
又請求項２では、湯水を貯湯する貯湯タンクと、圧縮機、前記貯湯タンクと連通され水を加熱する冷媒−水熱交換器、蒸発器を構成する空気熱交換器を接続したヒートポンプ回路と、前記貯湯タンク内の湯水を該貯湯タンク底部に接続した流入管及び貯湯タンク上部に接続した流出管から成るヒーポン循環回路と、前記ヒーポン循環回路にはヒーポン循環ポンプが備えられ、更に前記貯湯タンク底部に接続された給水管と、貯湯タンク上部に接続された出湯管とを備えたものに於いて、前記ヒーポン循環回路から分岐したバイパス回路を、前記空気熱交換器の送風ファンによる送風の風上側に備えたものである。
【０００６】
又請求項３では、前記バイパス回路は、流出管に三方弁を介して一端を接続し、他端を流出管のヒーポン循環ポンプ吸引側に接続することで、空気熱交換器の除霜を行うようにしたものである。
【０００７】
又請求項４では、前記バイパス回路は、流出管に貯湯タンク側への流量とバイパス回路側への流量を可変可能とした流量制御弁を介して一端を接続し、他端を流出管のヒーポン循環ポンプ吸引側に接続することで、空気熱交換器の除霜を行うようにしたものである。
【発明の効果】
【０００８】
この発明の請求項１によれば、ヒートポンプ回路を利用した瞬間式の給湯装置に於いても、二次側の給湯の一部を空気熱交換器の除霜用に使用することで、給湯を停止することなく該給湯をしながら除霜をすることが出来、効率を低下させることなく除霜が確実に行え、安心して使用出来るものである。
【０００９】
又請求項２によれば、ヒートポンプ回路を利用した貯湯式の給湯装置に於いても、貯湯運転の途中で貯湯用の温水の一部或いは全部を空気熱交換器の除霜用に使用することで、貯湯タンクへの貯湯を継続しながら除霜することが出来、効率を低下させることなく除霜が確実に行え、安心して使用出来るものである。
【００１０】
又請求項３によれば、空気熱交換器の除霜は、三方弁で流路が切替られて温度上昇した温水が確実にバイパス回路を流れて行われ、短時間に除霜を完了して直ぐに沸き上げ運転に戻ることが出来、器具の効率を低下させることなく除霜が確実に行え、安心して使用出来るものである。
【００１１】
又請求項４によれば、空気熱交換器の除霜の温水量と貯湯タンクへ向かう温水量との調節が出来、除霜の状況に応じて両流路に流す温水量を適宜可変して、更に器具の効率を低下させることなく除霜が確実に行え、安心して使用出来るものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
次にこの発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
このヒートポンプ式給湯装置は、時間帯別契約電力の電力単価が安価な深夜時間帯に湯水を沸き上げて貯湯し、この貯湯した湯水を給湯に用いるもので、１は湯水を貯湯する貯湯タンク２を備えた貯湯タンクユニット、３は貯湯タンク内の湯水を加熱する加熱手段としてのヒートポンプユニット、４は台所や洗面所等に設けられた給湯栓、５はこの給湯栓４の近傍に設けられた給湯リモコン、６は浴槽、７は浴室に設けられた風呂リモコンである。
【００１３】
前記貯湯タンクユニット１の貯湯タンク２は、上端に出湯管８と、下端に給水管９とが接続され、更に下部にヒーポン循環回路１０を構成する流出管１１と、上部にヒーポン循環回路１０を構成する流入管１２とが接続され、前記ヒートポンプユニット３によって流出管１１から取り出した貯湯タンク２内の湯水を沸き上げて流入管１２から貯湯タンク２内に戻して貯湯され、給水管９からの給水により貯湯タンク２内の湯水が押し上げられて貯湯タンク２内上部の高温水が出湯管８から押し出されて給湯されるものである。
【００１４】
前記ヒートポンプユニット３は、圧縮機１３と凝縮器としての冷媒−水熱交換器１４と減圧器としての電子膨張弁１５と送風ファン１６の送風空気から熱を奪う蒸発器を構成する空気熱交換器１７で形成されたヒートポンプ回路１８と、貯湯タンク２内の湯水を前記流出管１１及び流入管１２を介して冷媒−水熱交換器１４に循環させるヒーポン循環ポンプ１９と、それらの駆動を制御するヒーポン制御部２０とを備えており、ヒートポンプ回路１８内には冷媒として二酸化炭素が用いられて超臨界ヒートポンプサイクルを構成しているものである。なお、冷媒に二酸化炭素を用いているので、低温水を電熱ヒータなしで約９０℃の高温まで沸き上げることが可能なものである。
【００１５】
更にヒートポンプ循環回路１０を構成する流出管１１と流入管１２との間にはバイパス回路２１が接続され、このバイパス回路２１は空気熱交換器１７の送風ファン１６風上側に備えられて、冷媒−水熱交換器１４で高温に沸き上げられた湯水を循環させて空気熱交換器１７の除霜を強制的に行うものであり、流入管１２との接続側には図２に示すように開閉弁２２が備えられ開閉制御されたり、図３に示すように三方弁２３を設けて、流入管１２の貯湯タンク２側の開閉と、バイパス回路２１側の開閉とを切替るようにしたり、図４に示すように流量制御弁２４を設けて、貯湯タンク２側及びバイパス回路２１側の流量を空気熱交換器１７での除霜状況によって可変するようにしており、又除霜制御については、ヒートポンプユニット３の外枠に備えた外気温センサ２５が所定温度以下を検知で除霜制御を開始すると共に、前記開閉弁２２及び三方弁２３及び流量制御弁２４についてもヒーポン制御部２０を介して制御するものである。
【００１６】
ここで、前記冷媒−水熱交換器１４は冷媒と被加熱水たる貯湯タンク２内の湯水とが対向して流れる対向流方式を採用しており、超臨界ヒートポンプサイクルでは熱交換時に於いて冷媒は超臨界状態のまま凝縮されるため効率良く高温まで被加熱水を加熱することが出来、被加熱水の冷媒−水熱交換器１４入口温度と冷媒の出口温度との温度差が一定になるように前記電子膨張弁１５又は圧縮機１３を制御することで、被加熱水の冷媒−水熱交換器１４の入口温度が５〜２０℃程度の低い温度であるとＣＯＰ（エネルギー消費効率）がとても良い状態で被加熱水を加熱することが可能なものであり、冬期では例えばＣＯＰ３であった場合に、除霜のためにその内１〜０．５の効率を利用すると言う考え方である。
【００１７】
２６は前記浴槽６の湯水を加熱するためのステンレス製の蛇管よりなる風呂用熱交換器で、貯湯タンク２のほぼ中間部に備えられ上部の高温水領域を残すようにしているもので、又この風呂用熱交換器２６には風呂往き管２７および風呂循環ポンプ２８を備えた風呂戻り管２９が接続されて浴槽６の湯水が循環可能にされ、浴槽６内の湯水が貯湯タンク２内の高温水により加熱されて保温あるいは追焚きが行われるものである。なお、３０は風呂戻り管２９を循環する浴槽６の湯水の温度を検出する風呂温度センサである。
【００１８】
３１は貯湯タンク２側壁で上記風呂用熱交換器２６と対向する中間位置に接続された中間取り出し管で、前記風呂熱交換器２６で風呂側と熱交換して温度低下した中温水や湯と水の境界層付近で温度低下あるいは温度上昇した中温水などの貯湯タンク２の中間位置に貯められている湯水を貯湯タンク２から出湯するものである。
【００１９】
３２は前記出湯管８途中で前記中間取り出し管３１の下流に設けられた電動ミキシング弁より構成された中間混合弁、３３はこの中間混合弁３２下流の中間給湯管３４に設けた中間温度センサで、貯湯タンク２中間位置付近の中温水と貯湯タンク２上端に接続された出湯管８からの高温水とを給湯リモコン５や風呂リモコン７でユーザーが設定した給湯設定温度より所定温度高い混合目標温度になるように混合比率が制御されるものである。
【００２０】
３５は中間混合弁３２からの湯水と給水管９から分岐された給水バイパス管３６からの低温水を混合する電動ミキシング弁より構成された給湯混合弁であり、その下流の給湯管３７に設けた給湯温度センサ３８で検出した湯温が給湯リモコン５や風呂リモコン７でユーザーが設定した給湯設定温度になるように混合比率を制御するものである。
【００２１】
３９は中間給湯管３４から分岐された分岐中間給湯管４０からの湯水と給水管９から分岐された分岐給水バイパス管４１からの低温水とを混合する電動ミキシング弁より構成された風呂混合弁であり、その下流側の風呂戻り管２９に連通された湯張り管４２に設けた湯張り温度センサ４３で検出した湯温が給湯リモコン５や風呂リモコン７でユーザーが設定した風呂設定温度になるように混合比率を制御するものである。
【００２２】
そして、前記湯張り管４２には、浴槽６への湯張りの開始／停止を行う湯張り弁４４と、浴槽６への湯張り量をカウントする風呂流量カウンタ４５が設けられているものである。
【００２３】
４６は貯湯タンク２の上下方向に複数個配置された貯湯温度センサで、この実施形態では５つの貯湯温度センサが配置され上から４６ａ、４６ｂ、４６ｃ、４６ｄ、４６ｅと呼び、この貯湯温度センサ４６が検出する温度情報によって、貯湯タンク２内にどれだけの熱量が残っているかを検知し、そして貯湯タンク２内の上下方向の温度分布を検知するものである。
【００２４】
前記給湯リモコン５および風呂リモコン７には、給湯設定温度を設定する給湯温度設定スイッチ４７、及び風呂設定温度を設定する風呂温度設定スイッチ４８がそれぞれ設けられていると共に、浴槽６へ風呂設定温度の湯を風呂リモコン７の湯張り量設定スイッチ（図示せず）で設定された湯張り量だけ湯張りし所定時間保温させる風呂自動スイッチ４９がそれぞれ設けられ、更に風呂リモコン７には約６０℃の高温の湯を差し湯させる高温差し湯スイッチ５０が設けられているものである。
【００２５】
５１は貯湯タンクユニット１内の各センサの入力を受け各アクチュエータの駆動を制御するマイコンを有し制御部を構成する給湯制御部である。この給湯制御部５１に前記給湯リモコン５が無線または有線により接続されユーザーが任意の給湯設定温度及び風呂設定温度を設定できるようにしているものである。
【００２６】
前記給湯制御部５１は、中間温度センサ３３で検出する温度が給湯設定温度あるいは風呂設定温度のうち高い方の設定温度より所定温度高い混合目標温度になるよう中間混合弁３２の弁開度をフィードバック制御するようにしているものであると共に、給湯温度センサ３８の検出する温度が給湯設定温度になるように給湯混合弁３５の弁開度をフィードバック制御するようにしているもので、更に湯張り温度センサ４３の検出する温度が風呂設定温度になるように風呂混合弁３９の弁開度をフィードバック制御するようにしているものである。
【００２７】
そして、前記制御部５１は中間混合弁３２の制御応答速度を給湯混合弁３５の制御応答速度よりも遅くなるように設定されているもので、中間混合弁３２からの湯水の温度変化に給湯混合弁３５のフィードバック制御の制御応答速度が勝り給湯温度のオーバーシュートまたはアンダーシュートを大幅に低減できるものである。
【００２８】
５２は貯湯タンク２の過圧を逃す過圧逃し弁、５３は給水の圧力を減圧する減圧弁、５４は給湯する湯水の量をカウントする給湯流量カウンタ、５５は浴槽６の湯水が逆流するのを防止する二重に設けられた逆止弁、５６は給水の温度を検出する給水温度センサである。
【００２９】
次にこの一実施形態の作動を説明する。
先ず沸き上げ運転について説明すると、深夜電力時間帯になって貯湯温度センサ４６が貯湯タンク２内に翌日に必要な熱量が残っていないことを検出すると、給湯制御部５１はヒーポン制御部２０に対して沸き上げ開始指令を発する。指令を受けたヒーポン制御部２０は圧縮機１３を起動した後にヒーポン循環ポンプ１９を駆動開始し、貯湯タンク２下部に接続された流出管１１から取り出した５〜２０℃程度の低温水を冷媒−水熱交換器１４で７０〜９０℃程度の高温に加熱し、貯湯タンク２上部に接続された流入管１２から貯湯タンク２内に戻し、貯湯タンク２の上部から順次積層して高温水を貯湯していく。貯湯温度センサ４６が必要な熱量が貯湯されたことを検出すると、給湯制御部５１はヒーポン制御部２０に対して沸き上げ停止指令を発し、ヒーポン制御部２０は圧縮機１３を停止すると共にヒーポン循環ポンプ１９も停止して沸き上げ動作を終了するものである。
【００３０】
次に給湯運転について説明すると、給湯栓４を開くと、給水管９からの給水が貯湯タンク２内に流れ込む。そして貯湯タンク２の中間部に貯められた高温水が中間取り出し管３１を介して中間混合弁３２へ押し出される。なお、貯湯タンク２内には上部に高温水、下部に低温水が貯められることとなるが、その温度差により比重差が発生し、温度境界層を形成して比重の軽い高温水が上部に、比重の重い低温水が下部に位置するので、互いに混じり合うことはないものである。
【００３１】
ここで、給湯制御部５１は中間取り出し管３１からの湯水と出湯管８からの湯水を混合して中間混合弁３２にて給湯リモコン５又は風呂リモコン７で設定された給湯設定温度より一定温度以上高い混合目標温度となるように中間混合弁３２を適当な比率に調整する。なお、ここでは、中間取り出し管３１から流入する湯が高温で給湯設定温度より高いため、中間混合弁３２の出湯管８側を閉じることとなる。
【００３２】
そして、中間混合弁３２から流出した混合目標温度の湯は中間給湯管３４を介して給湯混合弁３５へ流入し、給水バイパス管３６からの低温水と混合され、給湯制御部５１が給湯混合弁３５の混合比率を調整し給湯設定温度の湯が給湯栓４から給湯される。そして、給湯栓４の閉止によって給湯が終了するものである。
【００３３】
次に上記の沸き上げ運転中に、外気温度が氷点下以下に低下しこれを外気温センサ２５が検知することで、ヒーポン制御部２０によって除霜運転が開始されるもので、バイパス回路２１に開閉弁２２が備えられたものでは、この開閉弁２２が開口されることにより、冷媒−水熱交換器１４で加熱された高温水の一部がバイパス回路２１を流通し、結露が発生する前の空気熱交換器１７を加熱して除霜を行うもので、空気熱交換器１７を加熱して温度低下した温水は流出管１１に戻り、ヒーポン循環ポンプ１９により再び冷媒−水熱交換器１４に送られ、順次この循環を繰り返して除霜を行うものであり、又高温水の一部はそのまま貯湯タンク２に送られて沸き上げ運転は継続されるので、効率の良く除霜することが出来るものであり、空気熱交換器１７の温度が所定温度に維持されることで、除霜運転は終了するものである。
【００３４】
又バイパス回路２１の流入管１２への接続部分に三方弁２３が備えられている場合には、除霜運転で開口していた流入管１２の貯湯タンク２側を閉口すると共に、閉口していたバイパス回路２１側を開口することにより、冷媒−水熱交換器１４で加熱された高温水を全てバイパス回路２１に流し、大量の高温水で空気熱交換器１７の除霜が短時間に行われるものであり、除霜運転の終了後は三方弁２３が元の状態に切替わって沸き上げ運転が自動的に再開され、除霜の確実性と共に効率良く沸き上げも行われるものである。
【００３５】
更にバイパス回路２１の流入管１２への接続部分に流量制御弁２４が備えられている場合には、除霜運転開始当初はバイパス回路２１側を１００％開口とし、流入管１２の貯湯タンク２側０％にして、冷媒−水熱交換器１４で加熱された高温水を全てバイパス回路２１に流し、大量の高温水で空気熱交換器１７の除霜を優先させた後、その後除霜の進行状況に応じて流量制御弁２４のバイパス回路２１側の流量を徐々に絞ると共に、流入管１２の貯湯タンク２側の流量を徐々に増加させるようにして、除霜から貯湯タンク２の沸き上げがスムーズに切替られ、更に効率の良い除霜と沸き上げが行われるものである。
【００３６】
尚、この一実施形態では貯湯方式について説明したが、これに限定されることなく、例えば流出管１１を直接給水管に接続し、冷媒−水熱交換器１４で高温に加熱された温水を途中に給水とのミキシング弁を介して、直接給湯するにした瞬間方式のヒートポンプ式給湯装置でも同様な効果を得られ利用出来るものである。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】この発明の一実施形態を示すヒートポンプ式給湯装置の概略構成図。
【図２】同要部を開閉弁とした状態を示す説明図。
【図３】同要部を三方弁とした状態を示す説明図。
【図４】同要部を流量制御弁とした状態を示す説明図。
【符号の説明】
【００３８】
２  貯湯タンク
１１  流出管
１２  流入管
１３  圧縮機
１４  冷媒−水熱交換器
１５  減圧器（電子膨張弁）
１６  送風ファン
１７  空気熱交換器（蒸発器）
１８  ヒートポンプ回路
１９  ヒートポンプ循環ポンプ
２１  バイパス回路
２２  開閉弁
２３  三方弁
２４  流量制御弁
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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